基于RSEI 指數的涇惠渠灌區生態環境質量變化評價

趙曉濤，陶汪海

（1.陜西省涇惠渠灌溉管理中心，陜西 咸陽 713800；2.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048）

0 引言

生態環境質量是生態系統要素、結構和功能在時間和空間上的綜合表征［1］，反映了各種限制因素、景觀要素和生態水文過程相互作用的結果［2］。因此，正確認識和評價區域生態環境狀況對于我國生態文明建設和生態環境保護意義重大。遙感生態指數（Remote Sensing Ecological Index，RSEI）能夠實現對區域內復雜的生態環境狀況進行高效、快速、大范圍的定量統計和制圖。RSEI是基于遙感影像數據，集成了綠度NDVI、濕度WET、干度NDSI和熱度LST這4個生態環境影響因素［3］，很好的解決了傳統生態環境指數（Ecological Index，EI）計算復雜、應用受限等問題［4，5］，可以全面、快速、客觀的反映區域生態環境質量水平。目前，RSEI在區域生態環境質量評價中已得到廣泛應用，并取得了較好實驗結果［6-9］。

灌溉農業是黃土高原地區經濟社會發展的重要糧食保障區，在經濟快速發展的大背景下，其脆弱的區域生態環境迫切需要開展針對黃土高原主要灌溉農業區生態安全評價的系統研究［10］。傳統灌區建設始終以工程效益最大化為目標，對區域生態環境的重視程度不夠，不合理開發導致了生態環境惡化，化肥農藥過量使用、地下水過量開采等都給灌區帶來了很多負面影響，嚴重阻礙了農業高質量發展［11］。習近平在主持召開黃河流域生態保護和高質量發展座談會時強調要“共同抓好大保護協同推進大治理”，“讓黃河成為造福人民的幸福河”。涇惠渠灌區作為黃河流域大型灌區，年取水達8.9 億m3，其生態環境建設事關黃河流域生態保護的大事。

近幾十年來涇惠渠灌區在取得農業發展的同時，也產生了一些生態環境問題，如地表水和地下水環境問題［12，13］、土壤環境問題［14］等。因此，以涇惠渠灌區為研究對象，開展灌區發展過程中（2000-2020 年）生態環境演變特征研究，監測可能存在的生態環境問題，并分析可能存在的原因，對全面、客觀地認識人類活動給灌區帶來的發展和影響具有十分重要的意義。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

涇惠渠灌區位于陜西省關中平原中部，古都西安的北面，地理坐標為東經108o34'34＂～109o21'35＂，北緯34o25'20＂～34o41'40＂（圖1）。灌區北依仲山、黃土臺塬，南臨涇、渭河谷，東有石川河環繞，清河自西向東穿過，地面和地下徑流排泄條件良好。灌區東西長70 km，南北寬20 km，總土地面積201.8 萬畝，設計灌溉面積135.5 萬畝，有效灌溉面積131.9 萬畝，其中自流灌溉面積110.2 萬畝，抽水灌溉面積34.28 萬畝，110.0 萬畝農田達到了渠井雙灌條件。涇惠渠灌區多年平均降水量503.77 mm，降水時空分布不均，每年7-9月降雨量占全年降雨量50%～60%，平均大于5 mm 的降雨天數30 d，大于10 mm 的降雨天數17 d，平均降水天數77.5 d。灌區年蒸發量1 212 mm。涇惠渠灌區西、南兩側有涇河、渭河自西向東流過，東有石川河自北向南環繞，中有清河自西向東橫穿而過，四條河流為流經灌區的天然水系，同時也為灌區提供了良好的水源，其中水資源的利用以涇河為主涇惠渠灌區現代化改造和建設進程的分析與思考［15］。

圖1 涇惠渠灌區行政區劃圖Fig.1 Administrative division map of Jinghui Canal Irrigation district

1.2 數據來源

本研究的關鍵數據源是Landsat遙感影像，其空間分辨率為30 m，時間分辨率為16 d。在Google earth engine 平臺上，利用JavaScript API 在線訪問2000、2005 和2010 年的Landsat-7 地表反射率數據集（LANDSAT/LE07/C02/T1_L2），以及2015 及2020年的Landsat-8 地表反射率數據集（LANDSAT/LC08/C02/T1_L2）。

為分析土地利用變化對涇惠渠灌區的生態質量影響，本研究采用了武漢大學黃昕教授團隊發布的中國30 m 年度土地覆蓋產品（CLCD）［16］，但由于該數據集缺少2020 年的數據，故2020 年采用的是歐洲航空局（ESA）發布的全球10 m 土地覆蓋數據［17］，并將ESA的數據進行重采樣，得到與CLCD產品相同的分辨率。

1.3 研究方法

利用遙感生態指數（RSEI）來反映涇惠渠地區的生態環境質量，RSEI是通過綠度（NDVI）、濕度（WET）、熱度（LST）和干度（NDBSI）4 個指數的綜合［3］，來定量表征生態環境質量的優劣程度。

（1）NDVI，歸一化植被指數，用于監測植物生長狀況，根據紅光波段和近紅外波段的反射特征而構建，計算方法為［18］：

式中：ρnir為近紅外波段反射率；ρred為紅光波段反射率。

（2）WET，遙感纓帽變換得到的濕度指數，可反映地表植被、水體和土壤的濕度狀況，基于TM 和基于OLI 反射率數據計算WET的公式分別為［19］：

式中：WETTM和WETOLI分別為基于Landsat TM 和OLI 遙感影像數據得到了濕度指數；ρblue、ρgreen、ρswiri、ρswir2分別表示藍光、綠光、短波紅外1和短波紅外2波段的光譜反射率。

（3）LST，通過地表溫度來表示，其計算公式為［7，20］：

式中：T為傳感器處溫度；λ 為熱紅外波段中心波長，取11.48 μm；ε為地表比輻射率，可通過NDVI閾值法獲取；ρ取1.438×10-2mK。

（4）NDBSI，表示建筑用地和裸土干燥程度，選用建筑指數（IBI）和裸土指數（SI）合成干度指數［21］，計算公式為：

（5）綜合生態指數模型構建。通過主成分分析的方法將4個生態環境評價指標耦合成一個綜合生態指數。因4個指標在量綱和數值范圍上差異較大，為減少不同指標數值大小對綜合評價指數結果的影響，需對各指標進行歸一化處理，使其值映射到［0，1］區間內，歸一化方法如下：

式中：NI為第i年歸一化處理后的指標值；I為第i年的指標數值；Imax和Imin分別為第i年指標的最大值和最小值。

對歸一化后的4 個指標進行主成分分析，得到初始生態指數，表達式為：

式中：RSEI0為初始遙感生態指數；PC1 為第一主成分；NINDVI，NIWET，NILST，NISI分別為4個指標歸一化處理后的指標值。

為了便于長時間序列數據的對比分析，再對初始遙感生態指數進行歸一化處理，計算方法為：

式中：RSEI為遙感生態指數，RSEI0_min，RSEI0_max分別為初始遙感生態指數的最小值和最大值。RSEI的取值范圍在［0，1］之間，數值越接近1 表示生態質量越好。為了便于分析生態變化特征，本文根據等間距法將RSEI分成了5 個等級來表征生態質量狀況，分別為差（0～0.2）、較差（0.2～0.4）、中等（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）、優（0.8～1.0）。參考《生態環境狀況評價技術規范》（HJ192-2015）中的等級表述，差表示生態環境惡劣，不適宜人類生活發展；較差表示植被覆蓋程度較低，存在明顯的限制人類活動的因素；中等表示植被覆蓋中等，較適合人類居住，但有一定限制因素存在；良好表示植被覆蓋較好，適合人類生活；優表示植被覆蓋度較高，生態系統穩定［7］。

本研究主要分析了2000、2005、2010、2015和2020年的4個生態質量指標（NDVI、WET、LST、NDBSI），對選取的遙感影響進行預處理后，提取了4個生態治理指標，并將歸一化后的指標進行了主成分分析，分析結果如表1 所示。5 個監測年份中，第一主成分PC1 的特征值貢獻率最高為80.25%（2020 年），最低為75.38%（2000 年），平均為77.63%。因此，PC1 集中了大部分的信息特征，可以作為定量表征涇惠渠地區的生態指數依據。

表1 主成分分析結果Tab.1 Results of principal component analysis

2 結果與分析

2.1 涇惠渠灌區RSEI時間變化

2000-2020年的涇惠渠灌區遙感生態指數的等級分布情況如圖2所示，5個年份的生態指數統計結果如圖3所示。結果表明，涇惠渠灌區的平均RSEI值從2000 年的0.63（最大值）下降到2010 年的0.52（最低值），此后又逐漸上升到2020 年的0.56，總體呈現先下降后緩慢轉好的特征。從RSEI的概率分布情況來看，2010 年之前的分布相對集中，而2010 年以后相對分散一些。為了進一步分析涇惠渠灌區的RSEI等級變化特征，圖4 顯示了涇惠渠灌區各RSEI等級所占的總面積比例在2000-2020年的變化。結果表明，差等級的面積比例均較小，其最大值出現在2000 年，為3.46%；較差等級總體表現為增加趨勢，其最大值出現在2015 年，為16.96%；中等級別的面積占比表現為先快速增加后略有下降的趨勢，最大值出現在2010 年，為38.80%；良好等級的面積占比表現為逐漸減小的趨勢，從2000 年的40.12%逐漸下降到2020 年的31.33%；優等級的面積占比表現為先減小后增大的趨勢，其最大值為2000 年的35.25%，最小值為2010年的5.90%，到2020年恢復到21.30%。

圖2 2000-2020年涇惠渠灌區RSEI等級分布Fig.2 Distribution of classified RSEI in Jinghui Canal irrigation district from 2000 to 2020

圖3 2000-2020年涇惠渠灌區RSEI統計分析Fig.3 Statistical analysis of RSEI in Jinhui Canal district from 2000 to 2020

圖4 2000-2020年涇惠渠灌區RSEI等級的面積比例Fig.4 Area ratio of classified RSEI in Jinghui Canal from 2000 to 2020

2.2 生態環境質量演變特征

為了分析涇惠渠灌區的生態變化特征，對2000-2005、2005-2010、2010-2015和2015-2020時間段內的RSEI差值進行計算，計算結果如圖5 所示。本研究得到了3 種變化類型，分別是退化、不變和改善。分析發現，2000-2020涇惠渠灌區生態質量退化的區域高達71.83%，生態沒有發生明顯變化的區域占比為15.61%，僅有12.56%的區域有所改善。因此，近20 年來，涇惠渠灌區總體生態治理發生了大面積的退化現象。對于4個時間段：①2000-2005 年，生態不變的區域占40.90%，生態退化的面積占32.27%，生態改善的區域占28.63%，總體表現為略有退化；②2005-2010 年，生態不變的區域占37.12%，生態退化區域為52.78%，生態改善的區域占10.11%，總體表現為大面積退化；③2010-2015 年，生態不變的區域占46.51%，生態退化的區域占24.17%，生態改善的區域占29.31%，總體表現為略有改善；④2015-2020 年，生態不變的區域占53.49%，生態退化的區域占13.09%，生態改善的區域占33.41%，總體表現為生態改善。

圖5 2000-2020年涇惠渠灌區RSEI變化Fig.5 Changes of RSEI in Jinghui Canal from 2000 to 2020

2.3 土地利用變化對生態環境的影響

2000-2020 年涇惠渠灌區土地利用類型分布如圖6 所示。從圖中可知，涇惠渠灌區的土地利用類型主要為耕地和建設用地，林草地和水體區域相對較少，且無明顯變化。耕地面積在5個年份的數值分別為1 240.74、1 198.46、1 170.41、1 098.92 和1 072.59 km2，在近20 年中總體為下降趨勢，2020 年較2000 年下降了86.45%；建設用地面積分別為99.97、140.30、168.28、237.96 和264.21 km2，在近20 年中總體表現為快速增加趨勢，2020 年較2000 年增加了2.64 倍。為了進一步分析耕地和建設用地的生態質量變化規律，統計分析了兩種土地利用類型下的RSEI在2000-2020 年內的分布情況，結果如圖7 所示。耕地區域的RSEI平均值從2000 年的0.638，減小到2010 年的0.54，然后到2020 年恢復至0.58，近20 年總體下降9.09%；建設用地的RSEI從2000年的0.58，下降到2000年的0.45，到2020年恢復到0.49，總體近20 年下降9.26%；建設用地的RSEI值整體上要小于耕地區域。由此可見，一方面涇惠渠灌區耕地區域的生態質量下降了，另一方面涇惠渠灌區建設用地的快速擴展加劇了生態質量的下降，雖然從2010 年開始生態質量有所改善，但是仍然處于較低水平。此外，林草地和水體濕地區域面積過低，涇惠渠灌區需大量擴增林草地等生態建設區域，才能更好的恢復生態。

圖6 2000-2020涇惠渠灌區土地利用分布Fig.6 Land use type distribution of Jinghui Canal from 2000 to 2020

圖7 2000-2020年涇惠渠灌區耕地和建設用地區域的RSEI分布Fig.7 Distribution of RSEI for cultivated land and construction land in Jinghui Canal from 2000 to 2020.

3 結論

根據2000-2020 年5 個時間節點的Landsat 遙感影像，2000-2015 年CLCD 的土地利用數據，和2020 年ESA 土地利用數據，通過遙感生態質量指數RSEI獲取了涇惠渠灌區近20 年的生態環境質量變化情況，并結合土地利用情況分析了耕地和建設用地的生態質量變化。主要結論如下：

（1）2000-2020 年間，涇惠渠灌區RSEI平均值呈現先降低后略有上升的趨勢，總體上由0.63 下降到0.52，表明近20 年涇惠渠生態環境質量退化了。

（2）RSEI等級變化中，良好和優等級（RSEI＞0.6）區域面積占比從75.36%下降到52.61%；中等（0.4＜RSEI＜0.6）區域面積占比從14.03%上升到30.75%；較差和差等級（RSEI＜0.4）區域面積占比從10.60%上升到16.62%。

（3）RSEI差值分析中，涇惠渠灌區近20 年總體生態退化區域占71.82%，無明顯變化區域占15.61%，生態改善區域占12.56%；2000-2010 年以生態退化為主，2010-2020 年以生態改善為主。

（4）涇惠渠灌區主要的土地利用類型為耕地和建設用地（占比大于99%），耕地區域的RSEI值整體大于建設用地區域；近20 年耕地面積逐漸減小，建設用地面積逐漸增大；耕地區域的RSEI值2000-2020 年下降了9.09%，建設用地的RSEI值下降了9.26%。

本研究采用的是Landsat 30 m 分辨率的遙感影像，但本研究的區域面積相對較小，還需要進一步結合高分辨率影像及實地調查數據進行可靠性驗證。此外，RSEI指數僅考慮生態環境方面的特征，后續研究應當進一步考慮經濟、社會保障和文化等方面的指標，從多個視角分析生態環境建設與農業、經濟發展的協調關系。生態環境的恢復非一日之功，需要進一步完善生態政策，加大生態環境保護力度。